一种增强PC树脂用高折射率玻璃纤维性能研究*

韩利雄，宋 凡，刘 也，晏 斌，徐 强，蔡晓梅，许诗勇

（重庆国际复合材料股份有限公司，重庆 400082）

0 前言

聚碳酸酯（PC）是一种分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，因其透明性好，无毒，耐候耐热，抗冲击性、耐疲劳和电气性能俱佳，成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料［1，2］，广泛应用于玻璃装配业、汽车工业和电子、电器工业、工业机械零件、光盘、包装、计算机等办公室设备、医疗及保健、薄膜、休闲和防护器材等领域［3，4］。据统计，我国2018年 PC 树脂消费量超过180万 t，2019年达218万 t，预计2025年国内的聚碳酸酯需求量将超过330万 t，我国已经成为全球最大的聚碳酸酯生产国和消费国［5］。但作为工程塑料，PC树脂缺口敏感，易应力开裂，耐磨性较差［6］，用于受力场合时可以加入一定量玻纤来增强［7］。但 PC 树脂的折射率较高，一般在1.58以上，而普通玻璃纤维的折射率只有1.55左右，PC 树脂中加入玻纤后，由于折射率不匹配，透明性会大幅下降，这限制了其应用范围［8，9］。

目前市场上能够满足 PC 树脂折射率的玻纤产品非常少，国外据称有少量类似产品［10，11］，但基本不对外销售。随着国内玻纤增强 PC 树脂复合材料应用范围的扩展，国内需求也在快速增加。针对该市场需求，我们开发出了1种高折射率玻璃纤维-HR 玻璃，本文就其相关性能与 ECT 玻璃进行了详细对比。

1 实验部分

1.1 原料和设备

玻璃纤维：ECS307-3-K/ECT，ECS307-3-K/HR，重庆国际复合材料股份有限公司；

聚碳酸酯（PC）：LEXAN，SABIC；

双螺杆挤出机：TE-50，江苏南京科亚公司；

注塑机：EM120-SVP/2，震雄集团；

万能试验机：INSTRON5982；

冲击试验机：XJC-220型，承德精密试验机有限公司。

1.2 实验方法

（1）根据实验方案称取PC树脂用短切纱ECS307-3-K/ECT、ECS307-3-K/HR和 PC 树脂。

（2）将上述原料加入双螺杆挤出机中制成粒料，设定玻纤质量分数分别为10%、15%、20%、30%和40%。

（3）用注塑机将含有不同质量玻纤的粒料加工成力学测试样条和透明样条，对比性能。

2 结果与讨论

2.1 HR玻璃折射率及对 PC 复合材料透光率的影响

折射率是玻璃固有物理性质之一，主要由其成分和结构所决定。表1为不同玻璃纤维制成玻璃块后实测折射率。可以看到，目前常见的E玻璃、ECT玻璃和 TM+玻璃折射率都只有1.55~1.56，明显低于PC 树脂的折射率。而2种材料的折射率差异越大，光线在界面处越容易发生干涉现象，从而导致光线透过率降低。因此，如果采用这类常规玻璃纤维增强 PC 树脂，复合材料的透光性和透明性显然会受到影响，而且玻纤质量分数越高，影响越大。

表1 不同类型玻璃折射率

HR玻璃为新开发的高折射率玻璃纤维，其折射率为1.585左右，与 PC 树脂相当。图1为 ECT 玻璃和 HR 玻璃增强 PC 树脂复合材料的透光率测试情况，可以看出，相同玻纤质量分数下，HR 玻璃增强PC树脂复合材料的透光性明显优于 ECT 玻璃，而且玻纤质量分数越高，效果越明显。玻纤质量分数10%时，HR 玻璃样条透光率比 ECT 玻璃提高了近6倍；玻纤质量分数15%时，HR 玻璃样条透光率比ECT 玻璃提高了近8倍。

图1 ECT玻璃和HR玻璃增强PC复合材料透光率

2.2 HR 玻璃纤维力学性能对比

作为增强基材，HR 玻璃纤维不仅需要较高的折射率，还应具有良好的力学性能。为准确评价HR 玻璃力学性能，本文选择目前行业主流的 ECT玻璃和 TM+玻璃作对比参照。ECT 玻璃是目前应用最为广泛的无硼无氟玻璃纤维，能够满足绝大部分热塑复合材料的力学性能要求，而 TM+玻璃是当前主流的高强度高模量玻璃纤维。图2和图3是HR 玻璃与 ECT 玻璃、TM+玻璃浸胶纱线强度和模量对比情况。

图2 不同类型玻纤浸胶纱线拉力强度对比

图3 不同类型玻纤浸胶纱线拉伸模量对比

可以看到，HR玻璃纱线拉伸强度超过2700 MPa，略低于 TM+玻璃，比 ECT 玻璃高出8%以上；HR 玻璃的拉伸模量表现更为突出，均值超过92 GPa，与TM+玻璃处于同一水平，明显优于ECT玻璃。

优异的力学性能对透明性复合材料意义重大，这意味着可以使用更少的玻纤质量分数就能达到设计强度。而玻纤质量分数越低，复合材料的透明性也会越好。因此在相同条件下，HR 玻璃性能优势更明显。

2.3 HR玻璃增强 PC 树脂复合材料力学性能比较

聚碳酸酯树脂熔体粘度高，玻纤质量分数高时分散困难，性能波动较大，为准确评价，本实验选择相同单丝直径、相同浸润剂处理的 ECT 玻纤样品作为参照，在相同工艺条件下制备样条检测，横向对比力学性能。测试结果如图4、图5所示。

图4 不同玻纤含量下PC复合材料拉伸强度对比

图5 玻纤增强PC复合材料弯曲强度对比

可以看到，HR 玻璃纤维添加到聚碳酸酯复合材料中，其力学性能优势也同样表现良好。相同工艺条件下，当玻纤质量分数为10%时，ECS307-3-K/HR 注塑样条的拉伸强度比ECT玻璃提高了9.3%左右；当玻纤质量分数达到20%、30%时，其拉伸强度和弯曲强度也都要比 ECT 玻璃提高7%以上。同样的，不管是玻纤质量分数低还是玻纤质量分数高，HR 玻纤注塑样条的弯曲模量也都明显优于 ECT 玻纤样品（见图6）。

图6 不同玻纤质量分数下复合材料拉伸模量对比

图7 玻纤质量分数20%时复合材料冲击强度对比

图7为玻纤质量分数20%样品的冲击强度测试结果。相对于拉伸强度和弯曲强度，聚碳酸酯复合材料的冲击强度离散性偏大。从本次测试结果看，HR 玻纤样条冲击强度优势不太明显，但整体水平也不低于ECT玻璃。

3 结论

（1）HR 玻璃折射率为1.58~1.59，与 PC 树脂的折射率相当，用于增强 PC 树脂时，复合材料的透明性可以大幅提高。

（2）除了折射率高外，HR 玻璃纤维还具有良好的力学性能，其拉伸强度和拉伸模量都明显优于普通无氟无硼 ECT 玻璃，尤其是拉伸模量，达到92 GPa左右，基本达到高模玻璃纤维水平。

（3）HR 玻璃纤维产品（ECS307-3-K/HR）与PC 树脂具有良好的相容性，用其增强的复合材料力学性能优势仍有良好体现，整体水平均优于 ECT玻璃。